11新型固态光电传感器

• 1－通；0－短
▪ Uc：PN结反偏电压 ▪ RL：负载电阻 ▪ IL ：负载电流 ▪ VT：场效应管（开关）
开关 Ug栅极控制电压
VT
U0
IL
VD
Cd
RL
Uc
光敏二极管
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1.4.2 工作过程
▪ 预充电放电(积分)充电(信号输出)放电 充电......
▪ 循环往复,负载上周期性的输出像元上的光信
• CdVDCd
▪ 放电荷为ΔQ
• ΔQ=(Ip+Id)Ts • ≈IpTs
▪ Cd电压减小为Ucd ▪ Ucd=Uc-ΔQ/Cd
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Ug=0
VT
U0
IL
VD
Cd
++
RL
Uc
暗电流Id<<Ip亮电流
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循环充电(信号输出)
▪ Ug=1， VT开 ▪ VD反向截止
▪ Uc经CdVTRL充电,Cd 电压由Ucd开始至Uc
▪ Ic—集电结反向饱和电流 ▪ Ie—光敏三极管光电流
Iebo Ie
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图2-8 NPN光敏三极管电路
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应用 —“电眼睛”
▪ 光电编码器 ▪ 火灾报警器 ▪ 光电控制 ▪ 自动化产生 ▪ 条形码读出器 ▪ 机器安全设施等
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光电晶体管特性—光谱、伏安特性
Kr(%) Ic(mA)
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1.2.1 光电导效应—光敏电组
▪ 光照半导体材料电子空穴对激发分裂
导电粒子增加电导率增加光电流
▪ 光的选择性
▪ 暗电阻:10~100MΩ
▪ 亮电阻:<10kΩ
I
▪ 用途:测光/光导开关 mA
▪ 材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅
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光敏电阻的特性
可见光0.38-0.76
作用下依此输出
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移位输出_以4像素SSPD为例
▪ 预充电:S=[ 1 1 1 1 ] ▪ 循环输出
φ S
1
U1
VT
1
U2
VT
1
U3
VT
VD
Cd
VD
Cd
VD
Cd
▪ 光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度
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1.1.3 光电倍增管
▪ 组成：光电阴极K＋阳极A＋倍增极＋外壳 ▪ 结构原理及测量电路
Φ
D1
D3
D5
A
K
D2
D4
D6
RL IΦ U0
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图6-1-3 光电倍增管结构示意图
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光电倍增管的特点
▪ 很高的放大倍数（可达106）； ▪ 适应弱光测量； ▪ 工作电压高,一般需冷却。
硕士研究生系列课程
新型传感器技术
张认成
2020/5/1
华侨大学机电及自动化学院
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第一章 新型固态光电传感器
—以集成电路、半导体加工工艺 以及光电效应为基础的阵列传感器
象限探测器
光敏器件阵列
自扫描光电二极管阵列
光电位置传感器PSD
电荷耦合器件CCD
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本章内容提要
光电效应
普通光敏器件阵列
流的影响十分显著。
在低照度下工作时应选择锗管。
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1.2.3 光生伏特效应—光电池
▪ 物理基础—光生伏特效应
▪ 半导体材料在光的作用下产生电动势 的现象
▪ 类型—硒光电池、硅光电池
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硒光电池原理
▪ 无光照时，载流子扩散形成 阻挡层，阻止硒中空穴的进 一步扩散，动平衡；
紫外10nm-0.4um
红外0.76-1000um
IΦ(mA) 1000lx
IΦ(mA) Kr(%)
40 50mW
30
20
10
100lx 10lx
20 40 60 80 100
U(V)
12 3 100 8 80 6 60 4 40 2 20
20 40 60 80 100 E(lx)
500 1000 1500 2000 2500 λ(nm)
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1.4.1 像元结构
▪ N型硅表面扩散P型硅材 料，形成P-N结
▪ 蒸涂SiO2（透明） ▪ 覆盖铝膜，氧化层部分
外露
▪ 引出栅极、漏极、源极
▪ 形成MOSFET场效应管
玻璃罩 栅极 漏极
Al膜
SiO2
N-Si
P 源极
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等效电路
▪ VD：理想光敏二极管 ▪ Cd：结电容 ▪ Ug：栅极控制电压
▪ X方向：
UxK U4U2 U1U2U3U4
Y
U1
U2
1
2
4
3
U3
U4
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直差测量电路
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象限探测器的特点
▪ 测量精度与光强无关，只与光心位置有关； ▪ 存在死区，光斑很小时特明显，分辨率低； ▪ 光斑落在一个象限时，失效，测量范围小。
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1.3.2 光敏二极管阵列
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▪ 划分形式：
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▪ 原理
• 光点投射到探测器上； U2
Y
U1
• 各象限上光斑大小不同；
• 光生电动势也不同：
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▪ U2<U1<U3<U4；
X 34
• 可断定光心在第4象限； U3
U4
• 标定后，可知光心在X、
Y方向的坐标。
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和差坐标换算
光子能:E量 h
+ _
逸出条 h件 1 2m： 0 2vA
材料红限 0 ： A/h
外光电效应
产生外光电效应的条件：
入射光的频率必须大于材料的红限
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1.1.1 原理与结构
▪ 光照物质电子获能逸出表面光电流
(光子)
(光电子)
• 光电流正比于光强度
• 入射光的频率必须大于材料的红限
• 光电传感器对光具有选择性
▪ 有光照时，硒中激发出电子 空穴对，电子穿过阻挡层， 空穴留在硒中；
▪ 电荷积累的结果：硒半导体 成为正极，金属成为负极。
▪ 连接＋—极，产生连续的光 电流
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P-硒 阻挡层 N-金属
RL 10 0
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光谱特性—光谱特性
▪ 硒光电池光谱响应范围：0.3~0.7μm ▪ 硅光电池光谱响应范围：0.5~1μm
自扫描二极管阵列
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光电位置传感器PSD
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1 光电效应
▪ 定义：
• 物质由于光的作用而产生电流、 电压，或电导率变化的现象
▪ 分类：
• 外光电效应(电子发射效应) • 内光电效应
▪ 光电导效应 ▪ 光生伏特效应
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1.1 外光电效应
光子
光电子
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光电子流向
光电流 方向
图6-1-6 光敏电阻的伏安特性
图6-1-7 光敏电阻的光电特性
图6-1-8 光敏电阻的光谱特性
1-硫化镉 2-硫化铊 3-硫化钼
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光谱特性
▪ 硫化镉：可见光区域,λ=0.4~0.76μm 峰值0.7μm
▪ 硫化铊：可见光及近红外区,λ=0.5~1.7μm 峰值:1.2~1.3μm
▪ 光电材料:银氧铯\锑铯\镁化镉等
▪ 举例:光电管\光电倍增管
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1.1.2 真空光电管
1. 组成：光电阴极＋阳极A＋透明外壳 2. 结构与测量电路：
阳极 阴极
I
E
RU
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结构
测量电路
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真空光电管的特点
▪ 线性度好; ▪ 灵敏度低； ▪ 测量弱光时，光电流很小，测量误差大。 ▪ 光电倍增管可提高弱光测量的灵敏度
1-开路电压 2-短路电流
温度补偿！
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1.3 普通光敏器件阵列
▪ 象限探测器 ▪ 光敏器件阵列
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1.3.1 象限探测器
▪ 作用
• 确定光点在平面上的位置坐标； • 用于准直、定位、跟踪等。
▪ 结构
• 利用光刻技术，将一整块圆形或正方形光敏器 件敏感面分割成若干区域；
• 各个区域各面积相等、形状相同、位置对称； • 背面仍为一体。
N PN结
P E
Φ
Kr(%)
100
2
1
80
60
40
20
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
a)
b)
λ(μm)
图6-1-17 光电池 a)结构示意图 b)图形符号
图6-1-18 光电池的光谱特性
1-硅光电池 2-硒光电池
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光谱特性—光电、温度特性
U(V) J(mA/cm 2)
U(mV) I(mA)
0.5
20
0.4
1
2
16
0.3
12
0.2
8
0.1
4
0 2000 4000 6000 8000 10000 E(lx)
图6-1-19 硅光电池的光电特性
1-开路电压特性曲线 2-短路电流特性曲线
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短路工作状态
500
2
5
400
4
1
300
3
200 10 30 50 70
90 110
t( )
图6-1-20 硅光电池温度特性
例如：0.1流明（lm）光通量时，光电管产生 光电流为5μA;
0.0001流明光通量时，光电倍增管的光电流 为1000 μA。
相差1000×200倍
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1.2 内光电效应
——光敏器件进行光电转换的物理基础
▪ 光电导效应—半导体材料在光的照射下，电 导率发生变化的现象。
▪ 光生伏特效应—半导体材料在光的照射下， 在一定方向产生电动势的现象。
吸收光子能量，产
有 光
生大量的电子/孔
照
穴对，P区和N区
的少数载流子浓度
提高，在反向电压
的作用下反向饱和
电流显著增加，形
成光电流。
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+
光 电 流
RL
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性能与用途
▪ 光电流与光通量成线性关系，适应于光照检 测方面的应用；
▪ 光电二极管动态性能好，响应速度快 （<10μs）；
▪ 但灵敏度低，温度稳定性差。 ▪ 光电三极管可以克服这些缺点。
▪ Y方向：
U yK(U 1U 2)(U 3U 4) U 1U 2U 3U 4
U2
Y
U1
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▪ X方向：
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UxK(U 1U 4)(U 2U 3) U3
U4
U 1U 2U 3U 4
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和差测量电路
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直差坐标换算—器件旋转45°
▪ Y方向： UyK U1U3 U1U2U3U4
▪ 一种低集成度的集成传感器 ▪ 多个光敏晶体管等间隔线性排列 ▪ 集成度一般为10～32像素／片； ▪ 集成封装，独立引线； ▪ 电路复杂，用多路开关简化电路。
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▪ 多路开关输出
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1.4 自扫描光电二极管阵列SSPD
▪ 普通光电二级管阵列＋数字位移寄存器 ▪ 输出电路简化 ▪ 集成度提高：64，128，256，512～4096 ▪ 线阵、面阵两种形式 ▪ 电荷储存工作方式 ▪ 工作原理复杂
▪ 硫化铅：可见光至中红外区,λ=0.5~3μm 峰值2.5μm
▪ 根据光谱范围选用！
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1.2.2 光电导效应—光敏晶体管
结构
▪ 与普通晶体管相似，但P-N结具有光敏特性。 ▪ 二极管在电路中处于反向工作状态。
V
IΦ
+
-
E
μA
Ic
N
c
E
P e
N
U0
RL
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a)
b)
图6-1-11 光敏二极管
100
1
2
3
80
60
2
40
20
1
0.5 1.0 1.5
2.0
i(μm)
图6-1-13 光敏晶体管的光谱特性
1-硅光敏晶体管 2-锗光敏晶体管
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Ee=2500lx
2500lx
1500lx
1000lx 500lx
-4
-8
-12
2500lx
6-1-14 光敏三极管的伏安特性
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光电晶体管特性—温度、频率特性
号.
Ug栅极控制电压
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VT
U0
IL
VD
Cd
RL
Uc
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预充电
▪ Ug=1, VT开 ▪ VD反向截止
▪ 电源Uc经RL给Cd充电 VT
• UcCdVTRL
VD
▪ P-N结上所充电荷Q
• Q=CdUc • 充电结束
Ug=1
U0
IL
Cd
++
RL
Uc
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放电(积分)
▪ Ug=0, VT关断 ▪ Cd经VD放电
▪ Cd上充电量为ΔQ
▪ Rl上最大电压增量为
▪ Uomax=ΔQ/Cd
▪
=Ip(Ts/Cd)
▪ Ip与光强成正比
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Ug=1
VT
U0
IL
VD
Cd
++
RL
Ucd
Uc
IL ≈ Ip~ E
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1.4.3 线阵SSPD
▪ 结构
• 感光阵列+多路开关+移位寄存器 • 公共端相连(COM) • 各管性能相同 • 多路开关多选一 • 在时钟与脉冲的
Leabharlann Baidu
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光敏三极管电路
▪ 集电结反向偏置 ▪ 基极无引出线
Icbo Ic
Iebo Ie
图2-8 NPN光敏三极管电路
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原理
▪ 无光照时
Iceo(1hFE )Icbo
▪ 有光照时 Ie(1hFE )Ic
▪ Icbo—反向饱和漏电流
▪ Iceo—光敏三极管暗电流
Icbo
Ic(μA) Kr(%)
1 300
200
100
50
30
20
2
10 4.0 2.0 1.0
10
20 40 60 80 2500lx
100 80 60 40 20
1 10
100
f(kHz)
1000
6-1-15 光敏晶体管的温度特性
1-输出电流 2-暗电流
图6-1-16 光敏晶体管的频率特性
温度的变化对光敏晶体管的亮电流和暗电
a)结构示意图和图形符号 b)基本电路
图6-1-12 光敏三极管
a)结构示意图 b)基本电路
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光敏二极管
▪ 无光照时：光电二极管 无
反向截止，回路中只有
光 照
+
很小的反向饱和漏电
流——暗电流，一般为
漏
10-8~10-9A，相当于普
电 流
通二极管反向截止；
RL
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续
▪ 有光照时：P-N结